民航地空數(shù)據(jù)鏈信號(hào)傳輸技術(shù)分析

曲春旭 喬惠君

摘 要：當(dāng)下民航企業(yè)不斷發(fā)展對(duì)飛機(jī)和地面控制的實(shí)時(shí)通信提出了新的要求，而民航地空數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲窈酵ㄐ诺闹饕獌?nèi)容，要加強(qiáng)飛機(jī)和地面控制的通信，就要加強(qiáng)兩者的信號(hào)傳輸。低空數(shù)據(jù)鏈其本身的可靠性較高，傳輸速率較快，這種先進(jìn)的信號(hào)傳輸技術(shù)能夠切實(shí)加強(qiáng)飛機(jī)和地面控制之間的聯(lián)系，文章針對(duì)民航地空數(shù)據(jù)鏈信號(hào)傳輸技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為切實(shí)加強(qiáng)我國民航飛機(jī)和地面控制之間的通訊水平提供有力參考。

關(guān)鍵詞：民航；地空數(shù)據(jù)鏈；信號(hào)傳輸技術(shù)

中圖分類號(hào)：V243.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）31-0136-02

Abstract： At present， the continuous development of civil aviation enterprises has posed new requirements for real-time communication between aircraft and ground control， and civil aviation ground-to-air data link is the main content of civil aviation communications. To strengthen the communication between aircraft and ground control， it is necessary to strengthen the signal transmission between the two. The low altitude data link itself has higher reliability and faster transmission rate. This advanced signal transmission technology can effectively strengthen the connection between aircraft and ground control. This paper analyzes the signal transmission technology of civil aviation ground to air data link. The purpose of this paper is to provide a powerful reference for strengthening the communication level between civil aircraft and ground control in our country.

Keywords： civil aviation； ground-to-air data link； signal transmission technology

引言

地空數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)了航空器和地面無線電臺(tái)的有效通信聯(lián)絡(luò)，且形成了獨(dú)特的地空數(shù)據(jù)鏈，其以自身的安全性和抗干擾能力在航空航天部門得到廣泛應(yīng)用。地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)能夠建立飛機(jī)和地面控制的有效連接，及時(shí)安全將飛機(jī)和地面的信息進(jìn)行交換，達(dá)到對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)控制，保障飛行的安全。而對(duì)民航地空數(shù)據(jù)鏈下的信號(hào)傳輸技術(shù)進(jìn)行分析能夠有效的保障民航飛行器飛行的安全，下文對(duì)具體的信號(hào)傳輸技術(shù)進(jìn)行分析。

1 關(guān)于民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

當(dāng)下，民航企業(yè)的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要由機(jī)載通信設(shè)備、地面通信控制以及地面信息處理組成。其機(jī)載通信設(shè)備箱地面控制發(fā)送飛機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而地面控制接收到信息后對(duì)信息進(jìn)行處理再返回給機(jī)載通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)地空的數(shù)據(jù)交互。利用這種設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)地空之間的信號(hào)傳輸自動(dòng)化。實(shí)際的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)當(dāng)中，地面通信中心將地面的信息及時(shí)傳送給飛行器，同時(shí)地面通信要保證對(duì)飛行器傳輸信息接收正常，地面通信是整個(gè)數(shù)據(jù)鏈的核心，通信信號(hào)的分析、管理和篩選是其工作的重要內(nèi)容。此外，要保障對(duì)飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)和故障內(nèi)容的監(jiān)督，還要依賴地面信息處理完成對(duì)飛行器實(shí)際數(shù)據(jù)的解析[1]。

2 民航地空數(shù)據(jù)鏈信號(hào)傳輸技術(shù)

2.1 信號(hào)發(fā)射技術(shù)

民航的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)下的信號(hào)發(fā)射采用甚高頻實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。在信號(hào)發(fā)射當(dāng)中，地面控制系統(tǒng)以面向傳統(tǒng)無線電和字符的模擬方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，其實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸效率較高（數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)2400bit/s），能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交互。在地空通信信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)上，主要采用最小頻移鍵控制實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)下采用乘性復(fù)合調(diào)試方式工作，在數(shù)字信息的傳輸上其本身能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的覆蓋，抗干擾能力強(qiáng)且具有保密性，從而提高了數(shù)字信息的傳輸效率。對(duì)信號(hào)調(diào)制的工作當(dāng)中，其載體為幅度調(diào)制，進(jìn)行數(shù)字調(diào)制后再模擬調(diào)制。具體的通信協(xié)議上，民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用載波偵聽多址訪問協(xié)議，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中不同的站點(diǎn)可以決定數(shù)據(jù)幀的收發(fā)工作。實(shí)際的工作當(dāng)中，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)要先檢查該通信道路是否被使用，發(fā)現(xiàn)通信道路空閑后稍后將確認(rèn)信息發(fā)送。發(fā)送端口確定信息傳輸正常后稍后會(huì)進(jìn)入空閑狀態(tài)，不影響后續(xù)信號(hào)的發(fā)射傳輸。

2.2 信道接入技術(shù)

在信道接入技術(shù)方面，民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用時(shí)分多址接入、碼分多址接入和頻分多址接入三種多址分配技術(shù)。對(duì)于多址分配技術(shù)而言，其通過將一條通信線路分割成若干個(gè)各自獨(dú)立的分通信道路，將各個(gè)分通信道路和用戶的節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。其中頻分多址接入技術(shù)，其特點(diǎn)在于在頻率軸上沒有重疊現(xiàn)象；對(duì)于時(shí)分多址接入技術(shù)而言，其主要是從時(shí)域上采取通信道路分割的形式獲取不同的子信道，其不同的信道之間的時(shí)隙也并不相同。在開展通信道理接入工作時(shí)，將傳送周期劃分成不同的時(shí)隙，在其中用一個(gè)幀開展周期傳送[2]。在計(jì)算具體的發(fā)射延時(shí)的時(shí)候，要以幀同步到為計(jì)時(shí)起點(diǎn)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)延時(shí)計(jì)算。要避免延時(shí)造成的碼元重疊現(xiàn)象產(chǎn)生，就要在幀之間留有足夠的時(shí)間，以充分的時(shí)間保護(hù)其穩(wěn)定運(yùn)行，杜絕重疊現(xiàn)象的產(chǎn)生。等到節(jié)點(diǎn)發(fā)射時(shí)間后，才能夠切實(shí)的發(fā)射數(shù)據(jù)包。此外，這種碼分多址接入技術(shù)主要是利用了偽隨機(jī)碼實(shí)現(xiàn)不同信道的區(qū)別和劃分。在接入新信道的過程當(dāng)中選擇適當(dāng)?shù)膫坞S機(jī)碼，利用一條碼作為信道的代表保障工作穩(wěn)定開展。

2.3 差錯(cuò)控制技術(shù)

對(duì)于差錯(cuò)控制技術(shù)而言，主要是民航對(duì)地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量以及信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性有較高的要求，因此需要使用這種差錯(cuò)控制技術(shù)控制鏈路層并糾錯(cuò)。在數(shù)據(jù)傳輸工作當(dāng)中，數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸需要采用前向糾錯(cuò)以及選擇性重傳的雙重傳輸方式實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)信息以及廣播控制消息的具體傳輸。也就是說，若無法采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)和糾錯(cuò)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸過程當(dāng)中信號(hào)的錯(cuò)誤糾正，就要及時(shí)發(fā)送反饋信息，為重新進(jìn)行信號(hào)發(fā)送提供信息通知。在數(shù)據(jù)集報(bào)頭的信息傳輸當(dāng)中，民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要根據(jù)子幀的實(shí)際類型屬性判斷信息確認(rèn)的必要性。若信息需要進(jìn)行確認(rèn)，則民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將信息插入到詢問消息當(dāng)中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要確認(rèn)的信息出現(xiàn)丟失或者傳輸超時(shí)、傳輸錯(cuò)誤的現(xiàn)象，民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將及時(shí)再次發(fā)送信息，保障信息的穩(wěn)定性。

2.4 信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)

在民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的相關(guān)管理當(dāng)中，民航需要對(duì)地空數(shù)據(jù)鏈發(fā)射相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)分析，通過對(duì)民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射調(diào)制解調(diào)信號(hào)從而根據(jù)發(fā)射信號(hào)的頻譜圖加強(qiáng)對(duì)信號(hào)頻譜特征的分析工作。在日常工作當(dāng)中，民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)有非連續(xù)性，這種非連續(xù)性符合系統(tǒng)的通信協(xié)議。但是其不同的時(shí)間段的信號(hào)電平值有一定差異，因此要根據(jù)不同時(shí)間段的電平值來判斷信號(hào)的發(fā)射源。此外，民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射的數(shù)據(jù)鏈信號(hào)并不是加密的，可以利用先進(jìn)的調(diào)解調(diào)碼軟件對(duì)其進(jìn)行必要的調(diào)制信號(hào)分析，從而對(duì)民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射特點(diǎn)進(jìn)行分析。對(duì)民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈信號(hào)開展監(jiān)測(cè)工作，能切實(shí)地獲得飛行器航班號(hào)、飛行器當(dāng)前所處位置以及上下行鏈路判斷信息等重要信息。

3 網(wǎng)絡(luò)通信特性

3.1 地空數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用

應(yīng)用主要由傳感器圖像顯示、控制以及管理組成。傳感器圖像消息由圖像屬于以及圖像輔助數(shù)據(jù)組成。圖像輔助數(shù)據(jù)用于對(duì)經(jīng)緯度、時(shí)間、顯示格式等屬性顯示。控制主要指對(duì)鏈路的管理，由指令控制系統(tǒng)發(fā)出，管理指令由傳感器通過RS422口發(fā)布，控制和管理質(zhì)量在消息標(biāo)準(zhǔn)定義后發(fā)布。

3.2 地空數(shù)據(jù)鏈傳輸

傳輸面向連接協(xié)議（TCP）和無連接協(xié)議（UDP）構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸。TCP包含需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或接收的應(yīng)用程序，為其提供連接的數(shù)據(jù)通信。TCP能夠保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性和安全性。UDP提供無連接的通信，傳輸中不確認(rèn)數(shù)據(jù)包，因此在數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中應(yīng)用較少。UDP下數(shù)據(jù)包發(fā)送后無連接需要釋放，傳輸過程無錯(cuò)誤控制，數(shù)據(jù)包及時(shí)損壞也不再次傳輸，執(zhí)行速度較快但是傳輸缺乏準(zhǔn)確性和可靠性[3]。

3.3 地空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)

通信鏈路網(wǎng)絡(luò)層由中心站和相關(guān)從站構(gòu)成單網(wǎng)，各個(gè)單網(wǎng)之間通過另外中轉(zhuǎn)平臺(tái)相連，信息在單網(wǎng)鏈路跨連接點(diǎn)連通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。多網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，采用網(wǎng)絡(luò)層以滿足互聯(lián)和分組路由選擇需求。

3.4 數(shù)據(jù)鏈路層

由上文可知通訊技術(shù)分為頻分多址接入、時(shí)分多址技術(shù)、碼分多址技術(shù)三種。頻分多址技術(shù)將固定頻段分割成相應(yīng)子頻段，每個(gè)頻段代表單個(gè)子信道，每個(gè)信道在頻率軸不重疊；時(shí)分多址技術(shù)在時(shí)域上劃分信道，子信道采用不同時(shí)隙，各子信道在時(shí)間軸不重疊，在頻率軸可重疊其將傳送周期分為多時(shí)隙，每一傳送周期有一幀同步從頭開始，將各時(shí)隙分到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以幀同步到達(dá)作為起點(diǎn)，計(jì)算發(fā)射延時(shí)，延時(shí)至該節(jié)點(diǎn)發(fā)射時(shí)間后發(fā)射數(shù)據(jù)包。要避免不同傳輸造成的碼元重疊，幀之間留有保護(hù)時(shí)間。碼分多址接入其不再頻域和時(shí)域上劃分信道，主要在偽隨機(jī)碼上選擇相干特性有良好正交性的偽隨機(jī)碼，利用偽碼代表子信道，且這種信道在頻域和時(shí)域上均可重疊。

對(duì)于鏈路層差錯(cuò)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的要求使得傳輸數(shù)據(jù)及報(bào)頭消息時(shí)根據(jù)子幀類型對(duì)信息判斷，確定消息需要確認(rèn)則在從站數(shù)據(jù)上行時(shí)間間隙發(fā)送，消息超時(shí)或者丟失則重新發(fā)送。傳輸中繼類信息，主要根據(jù)其子幀類型判斷，需要確認(rèn)再采取同樣的上行時(shí)間間隙發(fā)送，發(fā)現(xiàn)確認(rèn)消息傳輸超時(shí)或者傳輸失敗、丟失等現(xiàn)象重新發(fā)送報(bào)頭消息即可。

4 結(jié)束語

在民航客機(jī)的管理工作當(dāng)中，地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠保證飛行器的可靠性指揮和安全管理，同時(shí)這種技術(shù)加強(qiáng)了飛行器和地面控制中心之間的信號(hào)傳輸，使得雙方的數(shù)據(jù)交互工作更準(zhǔn)確。通過了解民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信號(hào)傳輸技術(shù)，能夠進(jìn)一步幫助系統(tǒng)操作人員切實(shí)的強(qiáng)化自身對(duì)于系統(tǒng)的操作管理能力，通過加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的操作，充分掌握民航飛行器的實(shí)際位置和實(shí)時(shí)信息。文章通過對(duì)地空數(shù)據(jù)鏈信號(hào)傳輸技術(shù)分析，為民航相關(guān)事業(yè)提供力所能及的幫助。

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